铜与不锈钢焊接技术与工艺研究现状

铜与不锈钢的合金结构件广泛应用于石油化学、空调冷凝、航空航天和汽车零部件等中高端工业领域,存在着广阔地展现出极高的实用价值和应用潜力。由于铜与不锈钢物理化学性质差异较大,使得两者之间的焊接相当困难,文章通过分析铜与不锈钢的焊接性,综述了各种焊接方法及其原理,分析了各种焊接缺陷以及解决办法,并指出当前领域内的研究热点与难点。同时,文章还将展望铜与不锈钢异种金属焊接技术的未来发展趋势,以期推动该领域的持续进步。

铜/钢异种金属焊接技术研究现状

重点介绍了国内外针对铜/钢异种金属连接的几种常用焊接方式,从不同焊接方法的特点入手,对其接头的成形机理、微观组织与力学性能进行了分析,并系统地总结了不同焊接方法的现存问题与解决办法。对于熔化焊,得到更为均匀的熔池以控制偏析是得到可靠接头的方式;传统电弧焊可通过控制填充材料以实现,而高能束焊可利用其控制精密的优势,利用束流偏析或周期运动以获得组织更为均匀的接头,是更可靠的熔化焊方法。对于钎焊及熔钎焊,选用合适的钎料则是实现可靠连接的关键,但其接头力学性能普遍较差,不适合应用于承载结构。而固相焊不涉及材料的熔化,相比于熔化焊,其接头具有更细小且均匀的微观组织,是具有巨大潜力的焊接方式。调控其界面反应层的形成是进一步提高接头强度的可行方式。在此基础上,进一步对未来铜/钢焊接的发展方向提出了展望,提出了关于上述焊接方法在未来可行的研究方向。

添加活性剂的T2纯铜MIG堆焊304L不锈钢工艺

为实现T2纯铜基体堆焊304L不锈钢,采用MIG焊的方法进行试验,在分析焊接电流、预热温度对堆焊层成形影响的基础上进一步添加活性剂过渡层,通过分析活性剂对堆焊层及铜-不锈钢结合界面的作用发现:活性剂可以有效增加熔深,改善铜-不锈钢界面的结合情况,其中Cr_(2)O_(3)既可产生电弧收缩,又可改变熔池流动形态,效果优于NaF的作用。添加Cr_(2)O_(3)活性剂后铜-不锈钢结合界面Cu-Fe相互过渡形成混溶区,在铜侧形成球状富Fe相,在不锈钢侧形成颗粒状富Cu相。Cu-Fe的充分扩散可改善结合界面,避免产生渗铜裂纹,优化后的工艺为:添加Cr_(2)O_(3)活性剂,预热温度400℃,焊接电流320 A。

铜/钢异种材料等离子弧焊接头显微组织分析

为实现铜/钢异种材料的优质连接,研究了铜/钢焊接接头的显微组织特点及其组成,试验采用LHM-200等离子弧焊系统对紫铜(T2)与不锈钢(304)异种材料进行焊接,然后通过光学金相显微镜及能谱分析仪,观察分析接头显微组织,研究其接头组织结构及组成.研究结果表明:铜/钢异种材料的等离子弧焊焊缝在铜一侧为平直的,而在钢一侧则为半χ型,在铜侧界面形成漩涡状;在焊接接头的形成过程中铜元素的迁移和扩散主要依靠钢液的流动所带动;焊接接头显微组织主要为奥氏体组织,弥散分布着块状和粒状的铜和钢的固溶体组织,和黑色鱼骨状的α相铁素体组织;焊缝区组织主要是以α、γ富铁相和ε富铜相固溶体组织的形式存在.通过实现发现最佳的焊接参数为:保护气流量与离子气流量分别为0.25 L/min和0.75 L/min,焊接电流为65 A,焊接速度为4 mm/s,焊接后的接头抗拉强度能达到174 MPa.

铜钢异种材料等离子弧焊接头性能

采用LHM-200等离子弧焊机对1 mm紫铜与低碳钢异种材料进行了熔透型等离子弧焊试验,得到了内部无缺陷、外观成形良好的接头.观察了接头的显微组织,并分析了工艺参数对接头力学性能的影响.结果表明,焊缝区中心显微组织呈细胞群状,界面两侧的组织特征呈现显著的不同,焊缝与铜侧界面没有明显的熔合线,局部呈漩涡状,钢侧与焊缝连接处出现了明显的分界线;最佳工艺为焊接电流为65 A,焊接速度为0.4 cm/s,离子气流量为0.7 L/min,此时接头抗拉强度可达176 MPa,试样断裂于铜母材热影响区.

铜/镀镍钢微电阻点焊接头形成机理

采用微电阻点焊对纯铜和镀镍钢片异种金属进行了点焊连接,通过拉剪试验、光学显微镜、扫描电镜和能谱分析,研究了镀层金属镍在铜/镀镍钢片微电阻点焊冶金过程中对接头形成和接头强度的影响.结果表明,铜/镀镍钢片微电阻点焊接头的形成机理包括固相连接和熔化连接,其形成过程为:铜和镀层镍在锻压力和析出热量下,形成固相连接;在铁和镀层镍之间开始熔化;镀层镍被熔化的金属向边缘处挤压,镍在边缘处与铁、铜形成了新的组织;熔核的形成.在两种不同的接头形成机理下,其拉伸断口都有呈抛物线状或拉长的韧窝出现.

铜-钢高频感应钎焊工艺及其对接头组织和导电性的影响

以解决铜电解永久型阴极板导电杆铜-钢异种金属焊接问题为目标,采用Sn-Cu系钎料在不同钎焊工艺下对T2紫铜和316不锈钢进行铜-钢异种金属高频感应钎焊试验。利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪分析研究了不同工艺参数下形成钎焊接头的微观组织、物相种类及元素分布,同时采用智能金属导体电阻率仪对铜钢焊接试样的导电性进行了检测。结果表明,不同工艺下形成的焊缝界面清晰且无明显的焊接缺陷。钎焊接头主要由铜侧扩散反应层、焊缝中心层、钢侧扩散反应层三部分组成;铜侧扩散反应层呈连续的"锯齿"状分布,主要由金属间化合物Cu_6Sn_5组成,中心层主要由锡单质、锡的氧化物和少量铜锡金属间化合物Cu_6Sn_5组成,钢侧扩散反应层生成了少量的铁锡金属间化合物Fe_(1.3)Sn。试样导电率与中心层金属间化合物Cu_3Sn的生成量和焊接温度均成反比。通过获得的最佳工艺参数能够得到焊缝成形美观、连接强度优良、导电性能良好的铜-钢钎焊接头。

基于BNi76CrP粉末钎料的1Cr18Ni9Ti与T2异种材料真空钎焊工艺研究

采用BNi76CrP粉末钎料开展了1Cr18Ni9Ti与T2异种材料的真空钎焊工艺试验,研究了不同钎焊温度下BNi76CrP粉末钎料对1Cr18Ni9Ti不锈钢和T2紫铜的润湿性能和钎焊性能。结果表明:在960~980℃范围内BNi76CrP粉末钎料对1Cr18Ni9Ti不锈钢与T2紫铜具有良好的润湿性能,且随钎焊温度的升高润湿性呈逐渐增强趋势。在钎焊温度960~980℃下保温5 min时,得到良好的1Cr18Ni9Ti不锈钢与T2紫铜钎焊接头组织,接头具有良好的耐压性能和气密性能,未见裂纹、气孔等缺陷。

典型铜合金T3、B5、H96与35CrMnSi的摩擦焊接性研究

应用惯性径向摩擦焊工艺研究了T3、H96、B5三种铜合金与35CrMnSi的摩擦焊接性,确定三种材料的焊接性能否满足使用要求。通过强度检测、金相、硬度测试表明:三种铜合金与35CrMnSi均能形成良好的摩擦焊接头;接头剪切强度与铜合金等强,不会产生焊接气孔等熔化焊工艺存在的焊接缺陷。研究也表明,因为熔点与导热的影响,B5+35CrMnSi钢侧的热影响区较宽。三种材料与35CrMnSi的径向摩擦焊接性能满足使用要求。

铜与不锈钢高频感应钎焊工艺及组织分析

针对电解铜阴极板导电杆钢包铜结构难以连接的问题,采用高频感应钎焊焊机,以Sn Cu0.7锡焊丝作为钎料进行了阴极板导电杆铜-钢异种金属的高频感应钎焊工艺研究。试验中采用Raytek FR1B红外测温系统实现对高频感应钎焊工艺温度的实时监测与控制,重点分析了高频感应钎焊工艺对导电杆钢包铜结构的质量及性能的影响,并观察分析了钎焊接头的微观组织和接头区域的成分。研究表明,以Sn Cu0.7锡焊丝作为钎料可以实现阴极板导电杆钢包铜结构的高频感应钎焊连接;获得的最佳工艺参数范围能够获得内外部质量、连接强度优良的接头;研究结果对进一步研究导电杆的导电性能及大批量生产阴极板导电杆具有重要意义。

异种金属的钎焊

连接异种金属时,由于材料物理性能的不同以及连接时发生的冶金反应,比较困难。钎焊是最实用的方法。阐述了常用的异种金属组合:铝-铜、铝-不锈钢、铝-钛、不锈钢-钛合金的钎焊技术,同时列出了这些接头的图片。

镍对铜/不锈钢GTAW接头导电性及腐蚀性能的影响

针对新型铜/不锈钢单缝直焊型电解铜永久阴极板焊接接头的特殊要求,采用S201,S231和CuNi-7三种不同Ni含量的焊丝对T2紫铜与316L不锈钢进行GTAW焊,并对接头微观组织、成分、电导率和耐腐蚀性进行了分析.结果表明,三种不同Ni含量的焊丝所得焊缝界面清晰、无明显的宏观焊缝缺陷,但Ni含量的增加会对焊缝表面成形有一定影响;Ni含量低时会使钢侧焊缝中产生少量微裂纹,而随着Ni含量的增加焊缝中条状和块状Ni-Cr-Fe相随之增加;随着焊缝中Ni含量的增加,铜/不锈钢接头的电导率有所下降,这与焊缝中存在的Ni-Cr-Fe相数量成反比;铜/钢接头中Ni含量的增加可较为明显地提高铜/钢接头在酸性条件下的耐腐蚀性能.

铜/钢异种金属CMT熔钎焊填充材料影响分析

采用S201和S211两种焊丝对铜/钢异种金属CMT熔钎焊特性进行比较研究,发现在相同(或相近)的CMT焊接工艺条件下,S211焊丝在母材上的铺展性明显优于S201焊丝;虽然采用S211焊丝的焊缝抗拉强度有所提高,但是在某些条件下容易产生焊接热裂纹,而使用S201焊丝的焊缝具有较高的抗热裂性;综合考虑,S201焊丝更加适合铜/钢异种金属CMT熔钎焊。

304不锈钢/T2紫铜超薄板激光搭接焊

采用波长为1070nm的光纤激光,对厚度均为0.2mm的304不锈钢和T2紫铜超薄板进行了激光搭接焊。采用钢-铜-钢三层搭接方法时,能得到良好的焊缝和较宽的工艺窗口。焊缝显微结构呈现出与焊缝边缘平行的黑色层状花纹。能谱分析结果表明,焊缝下部的铜含量高于上部的。显微硬度测试结果表明,接头硬度最低区域为铜层热影响区,单侧热影响区的宽度在1mm左右。拉伸试验结果显示,断裂位置处于铜层热影响区,其最大拉伸强度为213 MPa。

铜钢异种金属激光焊接头典型缺陷形成机理研究

采用光纤激光对铜钢异种金属进行激光焊接,研究接头中典型焊接缺陷的形成机理。结果表明:铜钢激光焊接头中的主要焊接缺陷是显微偏析、气孔和凝固裂纹。熔池金属凝固过程中的成分偏析是引起显微偏析和凝固裂纹的主要原因。晶界Cu元素偏析削弱晶粒之间结合力,导致晶粒自身的塑性变形不能完全抵消焊接过程中的热应力,造成晶界开裂。而气孔的形成主要与激光焊接过程中匙孔的失稳有关,小孔失稳引起匙孔内壁坍塌,导致金属蒸气不能顺利溢出熔池表面。提出交变磁场辅助激光焊接方法抑制焊缝中的缺陷,获得良好的焊缝成形。